專利名稱：一種伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
自1991年日本學(xué)者(Lijima)發(fā)現(xiàn)碳納米管以來， 一維納米材料便備受關(guān) 注。 一維納米材料或準(zhǔn)一維納米材料，按照形貌可以分為納米線、納米管、納 米帶、納米棒等，按照材料可以分為金屬、半導(dǎo)體、高分子等。在眾多一維或 準(zhǔn)一維納米材料中，碳化硅(SiC)以其優(yōu)異的機(jī)械性能、半導(dǎo)體性能、物理化 學(xué)穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等而受到越來越多的關(guān)注。
伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅(SiC)納米線是一種結(jié)構(gòu)新穎的準(zhǔn)一維納米材料， 在化工催化、微電子、光電子、多孔探測(cè)器、納米元器件以及復(fù)合材料增強(qiáng)等 領(lǐng)域均有很大應(yīng)用前景。近年來，各國學(xué)者相繼研究出制備一維或準(zhǔn)一維碳化 硅(SiC)納米材料的各種方法，碳化硅(SiC)納米棒、納米晶須、納米線、 納米管等則成為納米科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。然而，截至當(dāng)前有關(guān)"伴有串 狀結(jié)構(gòu)的碳化硅(SiC)納米線"的報(bào)道甚少，僅在國際著名期刊尸/7KS/C4 ￡ 上有一篇論文進(jìn)行過相應(yīng)的研究(詳見PHYSICAE: 39 (2007) 262-266)，上 述公開的制備伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅(SiC)納米線主要依靠化學(xué)氣相沉積法， 這種方法的制備工藝較為復(fù)雜、成本高、周期長，而且產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和形貌難以控 制，極大地限制了伴有串狀結(jié)構(gòu)SiC納米線的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備工藝較 為復(fù)雜、成本高、周期長、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和形貌難以控制的問題，提供一種伴有串 狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線及其制備方法。
本發(fā)明的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線為立方碳化硅的單晶結(jié)構(gòu)，中心桿 的直徑為50 100納米，中心桿的外圈上有榆錢串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅，榆錢串狀 結(jié)構(gòu)的碳化硅的直徑在100 500納米，串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的最長可達(dá)4 毫米。本發(fā)明的串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法是通過以下步驟制備一、按照硅與碳的摩爾比為i : 2 5的比例配制硅溶膠和蔗糖的混合溶膠，二、在
室溫為15 3(TC條件下使用磁力攪拌器攪拌2 4小時(shí)，配制成均勻的溶膠； 三、將裝有溶膠的燒杯放入水浴加熱器內(nèi)，將溫度控制在90 10(TC進(jìn)行凝膠 處理5士0.1小時(shí)，得到凝膠；四、將步驟三得到的凝膠放入坩堝中，并置于管 式加熱爐中，以950 1100ml/min的流量向管式加熱爐中通入氮?dú)?，管式加?爐以8 12°C/min的加熱速度加熱到750 850°C，并保持溫度1小時(shí)后在氮?dú)?的保護(hù)下自然冷卻至室溫，得到非晶態(tài)的含碳二氧化硅納米復(fù)合粉體材料；五、 將步驟四得到的納米復(fù)合粉體放入坩堝內(nèi)，并置于氣氛燒結(jié)爐中抽真空，使氣 氛燒結(jié)爐的真空度至1Pa以下；六、向氣氛燒結(jié)爐內(nèi)充入氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣體壓 強(qiáng)達(dá)到0.1 2.0MPa;七、氣氛燒結(jié)爐以5 3(TC/min的升溫速度進(jìn)行加熱，在 1500 180(TC的溫度下燒結(jié)0.5 6小時(shí)；八、冷卻到室溫，即得到伴有串狀結(jié) 構(gòu)的碳化硅納米線。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)含碳二氧化硅納米復(fù)合粉體在氣氛燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)工 藝的不同可得到的碳化硅(SiC)納米線的串狀結(jié)構(gòu)和形貌也不同，因此本發(fā)明 制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、制備周期短，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和形貌的控制， 同時(shí)降低了原料成本，對(duì)于串狀結(jié)構(gòu)碳化硅(SiC)納米線的應(yīng)用具有重大的推 動(dòng)作用。


圖1是具體實(shí)施方式
一伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的透射電鏡照片；圖2 是對(duì)應(yīng)于圖1串狀結(jié)構(gòu)的選區(qū)電子衍射，表明伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的 結(jié)構(gòu)為立方碳化硅單晶體；圖3是具體實(shí)施方式
二和具體實(shí)施方式
八納米復(fù)合 粉體在坩堝內(nèi)加熱，初始?xì)鍤鈿夥諌簭?qiáng)為O.lMPa，且在160(TC的溫度下燒結(jié)保 溫0.5小時(shí)得到的串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線形貌圖；圖4是具體實(shí)施方式
十納米 復(fù)合粉體在坩堝內(nèi)加熱，初始?xì)鍤鈿夥諌簭?qiáng)為0.5MPa,且在1700。C的溫度下燒 結(jié)保溫0.5小時(shí)得到的串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線形貌圖，圖5是具體實(shí)施方式
六 和具體實(shí)施方式
九納米復(fù)合粉體在坩堝內(nèi)加熱，初始?xì)鍤鈿夥諌簭?qiáng)為0.5MPa， 且在1600。C的溫度下燒結(jié)保溫4小時(shí)得到的串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線形貌圖； 圖6是具體實(shí)施方式
二納米復(fù)合粉體在坩堝內(nèi)加熱，初始?xì)鍤鈿夥諌簭?qiáng)為 0.5MPa，且在1800。C的溫度下燒結(jié)保溫0.5小時(shí)得到的串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線形貌圖；圖7是伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的低倍掃描照片(可見長度達(dá)4 毫米以上)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線為立方碳化 硅的單晶結(jié)構(gòu)，中心桿的直徑為50 100納米，中心桿的外圈上有榆錢串狀結(jié) 構(gòu)的碳化硅，榆錢串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅的直徑在100 500納米，串狀結(jié)構(gòu)的碳化 硅納米線的的最長可達(dá)4毫米，見圖l、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線通過以下步 驟制備 一、按照硅與碳的摩爾比為1 : 2 5的比例配制硅溶膠和蔗糖的混合 溶膠，二、在室溫為15 30'C條件下使用磁力攪拌器攪拌2 4小時(shí)，配制成 均勻的溶膠;三、將裝有溶膠的燒杯放入水浴加熱器內(nèi)，將溫度控制在90 100°C 進(jìn)行凝膠處理5±0.1小時(shí)，得到白色或略呈淡黃色透明的凝膠；四、將步驟三 得到的凝膠放入坩堝中，并置于管式加熱爐中，以950 1100ml/min的流量向 管式加熱爐中通入氮?dú)猓苁郊訜釥t以8 12°C/min的加熱速度加熱到750 85(TC，并保持溫度l小時(shí)后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻至室溫，得到非晶態(tài)的含 碳二氧化硅納米復(fù)合粉體材料；五、將步驟四得到的納米復(fù)合粉體放入坩堝內(nèi)， 并置于氣氛燒結(jié)爐中抽真空，使氣氛燒結(jié)爐的真空度至1Pa以下；六、向氣氛 燒結(jié)爐內(nèi)充入氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到0.1 2.0MPa;七、氣氛燒結(jié)爐以5 30°C/min的升溫速度進(jìn)行加熱，在1500 180(TC的溫度下燒結(jié)0.5 6小時(shí)；八、 冷卻到室溫，即得到伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線。
本實(shí)施方式制備的納米結(jié)構(gòu)(即，伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線)為立方 相碳化硅的單晶體(如圖2)，中心桿的直徑為50 100納米，中心桿的外圈上 伴有的榆錢串狀結(jié)構(gòu)直徑為100 500納米。隨著溫度升高或保溫時(shí)間延長，納 米線上的串狀結(jié)構(gòu)隨之增多，愈加密集。 一般，中心桿的直徑越小，對(duì)應(yīng)的串 直徑也就越小；反之，中心桿的直徑越大，對(duì)應(yīng)的串直徑也越大。對(duì)中心桿及 外圍串的影響因素主要有如下(1)對(duì)中心桿的影響，初始?xì)鈮涸叫r(shí)產(chǎn)物的 中心桿直徑也越?。?2)燒結(jié)工藝對(duì)中心桿的影響不大，但對(duì)外圍的串有較大 影響一燒結(jié)溫度越高和保溫時(shí)間越長都會(huì)使串的直徑增大。外圍串的直徑通 常為中心桿直徑的2 5倍。如中心桿直徑為50納米時(shí)其外圍的串直徑為100 120納米，這種中心桿直徑和外圍串的直徑都較小的情況，多出現(xiàn)初始?xì)鍤獾膲?強(qiáng)較低在0.1 0.2證&， 160(TC燒結(jié)并保溫半小時(shí)。若初始?jí)簭?qiáng)增大0.5MPa或 更高時(shí)，中心桿的直徑也相應(yīng)增大(多分布在50-150納米)，外圍串的直徑也 增大(多為100-500納米)。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟一中按
照硅與碳的摩爾比為l : 3的比例配制硅溶膠和蔗糖的混合溶膠。其它步驟與具
體實(shí)施方式二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟二中在
室溫為20'C條件下使用磁力攪拌器攪拌4小時(shí)。在2(TC的溫度下磁力攪拌4小 時(shí)后得到的混合溶膠均勻透明。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟四中將 凝膠放入坩堝中并置于管式加熱'爐中，以1000ml/min的流量向管式加熱爐中通 入氮?dú)?，同時(shí)管式加熱爐以1(TC/min的加熱速度加熱到80(rC。上述范圍值內(nèi) 得到非晶態(tài)的含碳二氧化硅納米復(fù)合粉體材料具有均勻性好、反應(yīng)活性高的優(yōu) 點(diǎn)。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟六中向 氣氛燒結(jié)爐內(nèi)充入氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣體初始?jí)簭?qiáng)達(dá)到l.OMPa。如圖5所示，這個(gè) 壓強(qiáng)數(shù)值得到的串狀結(jié)構(gòu)非常厚密。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟七中氣 氛燒結(jié)爐以10°C/min的升溫速度進(jìn)行加熱。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟七中初 始?xì)鍤鈿夥諌簭?qiáng)為O.lMPa，氣氛燒結(jié)爐在1600'C的溫度下燒結(jié)0.5小時(shí)。如圖3 所示，上述溫度和時(shí)間得到的串狀結(jié)構(gòu)比較稀疏，串與串之間具有較大間隙。 其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟七中初
始?xì)鍤鈿夥諌簭?qiáng)為l.OMPa，氣氛燒結(jié)爐在1600。C的溫度下燒結(jié)4小時(shí)。如圖5
所示，上述溫度和時(shí)間得到的串狀結(jié)構(gòu)非常密，串與串之間基本沒有間隙。其 它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟七中初始?xì)鍤鈿夥諌簭?qiáng)為0.5MPa，氣氛燒結(jié)爐在1700"C的溫度下燒結(jié)0.5小時(shí)。如圖 4所示，上述溫度和時(shí)間得到的串狀結(jié)構(gòu)比較厚密，串與串之間基本沒有間隙。 其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于伴有串狀 結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的中心桿直徑為50納米，外圈的串直徑為200納米，如圖 1。可以用作光電子領(lǐng)域、納米元器件、復(fù)合材料的增強(qiáng)體，具有優(yōu)異的增強(qiáng)增 韌效果。其它組成與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于伴有串狀 結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的中心桿直徑為100納米、外圍的串直徑為300納米，如 圖3和圖5?？捎糜诠I(yè)催化、納米元器件，特別是用于復(fù)雜元器件的加工制備。 其它組成與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于伴有串狀 結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的長度為4毫米，如圖7?？梢杂糜诠怆娮?、納米元器件的 制備，特別是滿足特殊納米元器件對(duì)長度的要求。其它組成與具體實(shí)施方式
一 相同。
權(quán)利要求
1、一種伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線，其特征在于伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線為立方碳化硅的單晶結(jié)構(gòu)，中心桿的直徑為50～100納米，中心桿的外圈上有榆錢串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅，榆錢串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅的直徑在100～500納米，串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的最長可達(dá)4毫米。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法，其特 征在于伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的中心桿外圈串的直徑為500納米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法，其特 征在于伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的中心桿外圈串的直徑為200納米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法， 其特征在于伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的長度為4毫米。
5、 一種伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法，其特征在于伴有串狀結(jié) 構(gòu)的碳化硅納米線通過以下步驟制備 一、按照硅與碳的摩爾比為1 : 2 5的 比例配制硅溶膠和蔗糖的混合溶膠，二、在室溫為15 30'C條件下使用磁力攪 拌器攪拌2 4小時(shí)，配制成均勻的溶膠；三、將裝有溶膠的燒杯放入水浴加熱 器內(nèi)，將溫度控制在90 10(TC進(jìn)行凝膠處理5士0.1小時(shí)，得到凝膠；四、將步 驟三得到的凝膠放入坩堝中，并置于管式加熱爐中，以950 1100ml/min的流 量向管式加熱爐中通入氮?dú)猓苁郊訜釥t以8 12°C/min的加熱速度加熱到 750 850°C,并保持溫度1小時(shí)后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻至室溫，得到非晶 態(tài)的含碳二氧化硅納米復(fù)合粉體材料；五、將步驟四得到的納米復(fù)合粉體放入 坩堝內(nèi)，并置于氣氛燒結(jié)爐中抽真空，使氣氛燒結(jié)爐的真空度至lPa以下；六、 向氣氛燒結(jié)爐內(nèi)充入氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到0.1 2.0MPa;七、氣氛燒結(jié)爐 以5 30°C/min的升溫速度進(jìn)行加熱，在1500 1800。C的溫度下燒結(jié)0.5 6小 時(shí)；八、冷卻到室溫，即得到伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法，其特 征在于步驟六中向氣氛燒結(jié)爐內(nèi)充入氬氣，使?fàn)t內(nèi)氣體初始?jí)簭?qiáng)達(dá)到l.OMPa。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法，其特 征在于步驟七中氣氛燒結(jié)爐以1(TC/min的升溫速度進(jìn)行加熱。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的制備方法，其特 征在于步驟七中氣氛燒結(jié)爐在170(TC的溫度下燒結(jié)0.5小時(shí)。
全文摘要
一種伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線及其制備方法，本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)及其制備方法。伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線立方相碳化硅的單晶體。方法將非晶態(tài)的碳/二氧化硅納米復(fù)合粉體放入坩堝內(nèi)并置于氣氛燒結(jié)爐中，抽真空后向爐內(nèi)充入氬氣使初始?xì)鈮哼_(dá)0.1～2.0MPa，然后以5～30℃/min的升溫速度加熱至1500～1800℃保溫0.5～6小時(shí)，隨爐冷卻到室溫，即得到伴有串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線，中心線或中心桿的直徑分布在50～100納米范圍內(nèi)，中心線或中心桿上串狀結(jié)構(gòu)的碳化硅納米線的直徑分布在100～500納米范圍內(nèi)。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、制備周期短，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和形貌的控制。
文檔編號(hào)C30B29/62GK101319399SQ200810064810
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者濤 張, 張曉東, 溫廣武, 白宏偉, 博 鐘, 黃小蕭 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)